智能家居照明控制系统方案.docx
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智能家居照明控制系统方案
摘要
随着科学技术的不断发展，人类社会迎来了电子信息时代。
而智能家居照明控制技术随着智能化住宅的蓬勃兴起而飞速发展，成为照明控制技术发展的一个重要方向。
因此，针对现有的智能照明控制系统的优缺点，根据人们的行为模式和住宅的光环境决定照明的控制规律，研究智能家居照明控制系统对提高人们的生活质量、节约能源和提倡绿色照明等具有十分重要的现实意义。
本论文主要从智能照明的基本概念、照明质量、家居照度标准、照明方式和种类、电光源的选择、智能照明控制系统的控制方式、智能家居照明控制系统设计等方面研究了家居式照明系统的设计的常用的方法，并且给出了智能化住宅各房间的典型照明技术。
同时指出在进行照明系统的设计时，不仅要根据场合的具体环境使照明系统能够实现视觉需求的光环境，同时要注意节约能源，实现绿色照明。
本论文分析了现有的智能照明控制方式的控制原理及其优缺点，设计了基于家居环境的智能照明系统，并介绍了该系统的功能及软、硬件的设计方法。
系统中的控制装置采用AT89S51单片机作为控制器，用C语言编程，采用光敏二极管检测光照度和PWM方式进行调光，同时设计了正负12伏直流供电电源。
在具体硬件设计中，本文主要设计了光照度检测、显示及补偿部分，经过调试，该部分完全能够实现设计系统的功能。
此外，还设计了灯光调节部分，根据环境调光或进行手动调节，同时还预留了RS232串行接口，为今后采用数字网络化调节的应用预留了空间。
关键词：
智能家居；照明控制技术；光环境；照明质量；照度检测；照度补偿
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology，humancomeintheeraofelectronicinformation.Sothetechnologyoftheelectronichomelightingcontrolmakeagreatdevelopmentwiththeriseofelectronichome.Sotheresearchonelectronichomelightingcontrolsystemisofgreatpracticalsignificancetoimprovepeople’slifequalityandtopromotegreenlightingagainstwiththeAdvantagesanddisadvantagesoftheexistingIntelligentLightingControlSystemandaccordingtopeople'sbehaviorpatternsofresidentialandlightenvironment.
Thispapermainlydoesresearchinthecommonlyusedmethodofthedesignofthehome-lightingsystems,accordingtothebasicconceptofsmartlighting,lightingquality,homeilluminationstandards,methodsandtypesoflighting,thechoiceoflightsource,thecontroloftheelectronichomeandgivesthetypicalresidentiallightingtechnologyofeveryroom.Atthesametimethispaperpointedoutthatinthedesignoflightingsystems,notonlyneedaccordingtothespecificoccasiontoachievethedemandlightingenvironment,butalsoshouldpayattentiontoenergyconservationandgreenlighting.
Thispapermakesananalysisonthecontroltheoryandtheadvantagesanddisadvantagesoftheexistingsmartlighting.Itdesignstheelectronichomelightingsystemsandintroducesthemethodofthesoftwaresystemandhardwaresystemindesigning.ThecontrollerofthissystemusesAT89S51andmakesprogramwithClanguage.ItusesthephotodiodetodetectlightandmakeadimminginthePWMway.Atthesametimeitdesignsaplusandminus12-voltDCpowersupply.Inthespecificdesignofhardwarethispapermainlydesignsforlightingdetection,displayandsomecompensation.Aftercommissioning,thedesigncancompletelyrealizethefunctionofsystem.Furthermore,itreservestheRS232interface，makethespacefortheusingdigitalnetworksinfuture.
Keywords:
intelligenthome;lightingcontroltechnology;lightenvironment;lightingquality;lightingdetection;lightcompensation
引言1
1绪论1
1.1智能家居的概念1
1.2智能家居照明的发展概况1
1.3智能照明控制系统的优势1
1.4现有智能照明控制系统的分析4
1.5本课题的研究意义4
1.6本文的主要研究容5
2智能家居的照明设计6
2.1智能照明的基本概念6
2.1.1人类的视觉特性6
2.1.2光照度及其单位7
2.2照明质量8
2.3家居照度标准8
2.4照明方式和种类9
2.4.1照明方式9
2.4.2照明方式的确定9
2.4.3照明的种类10
2.5电光源的选择10
2.6智能照明控制系统的控制方式12
2.6.1开环控制12
2.6.2闭环控制13
2.6.3应急照明控制13
2.7智能家居照明控制系统设计14
2.7.1系统的基本功能14
2.7.2系统的基本结构14
2.7.3各个房间的照明设计及要求15
3智能家居照明控制系统硬件电路设计18
3.1主要元器件的选取18
3.1.1控制器的选择18
3.1.2显示器件的选择18
3.1.3光照度检测元件的选择19
3.2电源电路设计20
3.3主控制电路设计20
3.4数据采集及处理电路22
3.4.1数据采集电路22
3.4.2AD转换电路23
3.5显示电路设计25
3.6照度补偿电路设计26
3.7调光电路26
3.8串行接口电路设计27
4智能家居照明控制系统软件设计29
4.1结构设计29
4.2流程图29
4.2.1主程序29
4.2.2显示子程序30
5实验与调试31
5.1实验模拟装置的制作31
5.2实验模拟装置的调试31
6结论与展望32
辞33
参考文献34
附录35
引言
我国是一个人口众多的、资源相对不足的国家，发展节约型、创新型社会是我国的一项长期基本国策,在现续代化建设中必须实施可持发展战略。
“智能家居照明工程”是可持续发展战略的一个容，做好智能照明工程的工作一方面可以大幅度的节约照明用电，减少发电排污，保护环境；另一方面可以改善照明质量，形成一个优质高效、经济、舒适、安全可靠、有益人们工作和生活的照明环境。
智能照明工程的涵是节能、高效、舒适、安全，有益于环保。
家居照明设计应坚持“以人为本”的原则。
按照现代绿色照明设计的原则，使照明系统产生综合的效益：
既要降低能耗指标，满足环保的要求，又要创造良好的照明环境，保证人们的身心健康，促进国民经济的迅速发展。
本文具体对于家居环境的特点,提出了相应的节能措施，设计了相应的智能照明装置。
先介绍了智能家居的的具体含义、存在的背景以及智能照明的现状与发展趋势，然后重点介绍设计的照明装置各个模块的原理与设计思路，最后叙述了硬件的设计调试过程和软件的编程。
1绪论
1.1智能家居的概念
智能家居，或称智能住宅，目前与此含义近似的词汇相当多，诸如:
家居智能化电子家庭（ElectronicHome）、数字家园（DigitalFamily）、家庭自动化（HomeAutomation）、家庭网络（HomeNet）/网络家居（NetworkHome）、智能家居/建筑（IntelligentHome/Building）。
实际上智能化住宅的发展分为三个层次，首先是家庭电子化（HE，HomeElectronic），其次是住宅自动化（HA，HomeAutomation），最后是住宅智能化，美国又称智慧屋（WH，WiseHome），欧洲称为时髦屋（SH，SmartHome）。
尽管名称五花八门，但它们的含义和所要完成的功能大体是相同。
曾经有文章这样描写一种智能家居：
当早晨起床时间一到，卧室音响设备就会自动播放主人爱听的“起床曲”唤醒主人；卧房浴室的电灯也会在主人进入梳洗时自动亮起，这时，厨房的煮咖啡器也会自动煮水，等主人出来时，就有热腾腾的咖啡等着他；在客厅里，主人只需轻轻按动综合功能遥控器，就可以十分方便地通过家庭影院系统播放电视节目、CD点播、DVD播放、上网查询和当天的新闻，以及多媒体游戏。
当主人出门后，智能家居系统就会自动启动安全保卫系统，一旦有人非法进入住宅或发生意外事故（如火灾、煤气泄漏、老人疾病紧急救助），系统就会自动拨通知主人，或向有关部门报警。
在外的主人接到报警后，也可以拨回家接上家庭智能化系统，开启家中的数码机上的特别对讲器，听听家里有没有奇怪的声音，甚至质问不速之客“你想干什么”。
主人在下班回家前，可以通过遥控家里的空调并调节到舒适的温度上，以及其他的电器设备，当主人完成操作后，里会传来优美的应答声。
1.2智能家居照明的发展概况
智能家居是综合计算机、信息通信等方面最先进的技术，使住宅的电力、空调、照明、防灾、防盗、运输设备等，实现住宅综合管理自动化、远程通信和办公事自动化的有效运作，并使这三种功能结合起来的家居环境。
随着智能建筑，特别是智能家居式建筑的出现，使建筑要求和设计方法跟传统的住宅比，大为不同。
照明作为建筑不可缺少的部分，随着国际上智能家居的大量出现，与之配套的智能照明技术也迅速发展，并成为21世纪的照明技术发展的一个重要方向。
预计在本世纪，人工智能技术在建筑和照明中的应用趋势将会进一步扩大。
面对这一发展趋势，开发了不少智能照明设计，如智能灯具、智能照明控制与管理系统，包括在照明方面的计算机硬件和软件。
此外计算机在照明设计和测试方面也得到广泛地应用。
澳大利亚邦奇公司开发的Dynalie智能照明控制系统，日本的智能照明建筑，特别是现代化办公室的智能照明技术等都值得我们研究与借鉴。
1.3智能照明控制系统的优势
智能照明控制系统是指用计算机技术并辅助其他手段，对电力照明实行自动控制，提供合适照明环境的同时降低照明系统的电能消耗和其他使用费用。
智能照明控制系统于手动照明控制系统相比有很多优点，包括创造环境气氛，改善工作环境、提高工作效率，良好的节能效果，延长光源寿命，管理维护方便等。
⑴创造环境气氛
使用智能照明系统，可以根据使用情况和住宅的日光亮度来预设回路。
可在回路中实现灯具的单独控制或成组控制，每个回路或灯具都可以设置为不同的亮度级别，这些级别存储为“场景”，可以理解为一个房间或某一区的完整面貌。
设置场景后，即可方便地使用墙上的控制面板或遥控器手动调用。
可以根据定时器、日光传感器和使用情况自动调用这些场景，使其达到丰富的艺术效果。
⑵改善工作环境，提高工作效率
智能照明控制系统以调光模块控制面板代替传统的平开关控制灯具，可以有效地控制各房间整体的照度值，从而提高照度均匀性。
同时，这种控制方式有效地解决了频闪效应，不会使人产生不舒适、头晕脑胀、眼睛疲劳的感觉。
⑶良好的节能效果
智能照明控制系统借助各种不同的“预设置”控制方式和控制组件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能。
这种自动调节照度的方式，充分利用室外的自然光，只有当必需时才把灯点亮或点亮到要求的亮度，利用最少的能源保证所要求的照度水平，节电效果十分明显，一般可达30%以上。
⑷延长光源寿命
智能照明控制系统能成功地抑制电网的浪涌电压，同时还具备了电压限定和WE流滤波等功能，避免过电压和欠电压对光源的损害。
智能调光器慢慢地把灯光调亮到一个设定的水平。
刚打开灯时，这是相当重要的。
在这一点上，白炽灯由于灯丝的热冲击易于失败。
通过把灯慢慢地调亮到设定的水平，也被称为“软启动”，避免了冲击电流对光源的损害，可以相当多的延长灯泡的寿命。
降低灯泡的亮度也可以延长灯泡的寿命。
减低10%的亮度，灯泡可以延长一倍的寿命，而减少50%,可以延长到20倍以上。
还可以实现“软关断”，灯光慢慢地熄灭。
当切换场景时，灯光的变化是渐变的，使人们不会有突然变化的感觉，充分考虑到人眼对灯光的亮度的适应性。
延长光源寿命不仅可以节省大量资金，而且大大减少更换灯管的工作量，可以降低照明控制系统的运行费用，管理维护也变得简单。
⑸管理维护方便
智能照明控制系统对照明的控制是以模块式的自动控制为主，手动控制为辅，照明预置场景的信息存储在存中，这些信息的设置和更换十分方便，使建筑物的照明管理和设备维护变得更加简单。
例如在客厅中，可根据时间设定晚上11点后，场景照明自动切换到睡前场景照明。
睡觉前还可以从集中显示器中查看各房间的灯是否关闭。
1.4现有智能照明控制系统的分析
澳大利亚奇胜场景照明控制系统，可以对同一个场所中最多18个灯区（照明回路）供电和调节亮度。
用户可以调节和预设每个灯区的亮度以适应最多5种场景，只需按一下按键就可以为你的活动选择满意的照明环境。
美国LC&D智能照明控制系统是一套由计算机微处理器控制的低压继电器配电盘组成，按照客户对室外照明的具体要求，设定照明控制的时间、区域、方法来控制每一个独立的回路，也有手动开关直接控制。
国生产的真善美智能照明系统具有集中控制、多点操作、集中显示、停电自锁、免打扰、遥控功能等智能功能，使家居生活更加方便与舒适。
但是，国外智能照明系统的研究存在着一下几个问题：
⑴现有国外的智能照明系统主要控制照度这个指标，他们的研究主要集中于办公室照明，以节能为主要目的，但是根据最新研究成果表明，非定量指标如舒适性和艺术性等对室照明光环境的影响更大。
⑵国的一些智能照明控制系统能够实现集中控制和集中显示，具有一定的智能性，但只能控制房间中的一个或一组灯的开、关，不能实现场景控制，也不能实现对灯光的亮度调节，不能产生多种照明效果。
⑶针对家居照明光环境的智能照明控制系统的研究产品较少。
1.5本课题的研究意义
智能家居照明控制系统的研究不仅可为目前国际上前沿研究课题——智能照明控制系统研究积累有益的经验，而且还提高了住宅照明光环境质量和住宅价值。
再者随着社会和科技进步，人们居住条件，生活的自动化水平也在不断地提高，这对能源消耗提出了更高要求，发展节约型、创新型社会今后是我国的一项长期基本国策。
照明系统是一个重要能源消耗对象，目前存在较严重的浪费现象，设计出高效节能的照明装置是当今迫切需要的，这也是实现家居环境可持续发展的关键技术之一，并且具有极为广阔的发展前景。
具体研究意义如下：
⑴提高住宅照明光环境质量。
在住宅的照明光环境设计中除充分考虑到视觉作业、合适的照度、亮度分布、视觉舒适性、眩光控制、显色性、照明装置的外观以及使用者或参观者的主观感觉等八个因素外，还需要考虑到人体因受到季节光照减少而产生的“季节性情感紊乱”因素和根据含不同光谱成分光源对褪黑素分泌的抑制能力强弱不同，视具体情况采用不同的光源。
⑵体现以人为本的照明控制思想，根据人们的行为模式和住宅的光环境决定照明的控制规律，创造一个个性化、艺术化、舒适、高雅的家庭光环境。
好的照明光环境使人心情愉快，工作效率提高:
而好的照明控制系统不仅能实现好的照明光环境，而且节能、维护管理方便，真正实现绿色照明。
⑶构成智能家居系统的一部分。
智能照明控制系统可以独立运行，实现对光环境的合理控制:
同时，其具有通信功能以及可扩展性，可把智能家居照明系统作为智能家居的子系统，并与家居自动化控制系统、电视、多媒体系统、探测、共同构成家居智能化网络系统。
1.6本文的主要研究容
第一章主要介绍了智能家居的概念以及智能家居照明的发展概况，并总结了智能照明控制系统的优点，同时对现有智能照明系统作了简要的分析，提出来发展智能照明的重要意义。
第二章主要从智能照明的基本概念、照明质量、家居照度标准、照明方式和种类、电光源的选择、智能照明控制系统的控制方式、智能家居照明控制系统设计等方面研究了家居式照明系统的设计的常用的方法，并且给出了智能化住宅各房间的典型照明技术。
第三章主要阐述了智能家居照明控制系统的硬件电路设计，从主要元器件的选取，到各个功能模块电路的设计都做了详细的分析与介绍。
第四章主要介绍了系统的软件设计，并给出了主程序和数码管显示子程序的流程图。
第五章主要阐述了系统的调试方法及在调试过程中出现的各种问题及相应的解决方案。
2智能家居的照明设计
智能家居是由建设部在各大城市指导建设的面向21世纪的豪华住宅，其定位标准是“科技先导、适度超前”，专家称这将是我国住宅产业未来发展的方向。
而现代智能家居的电气照明设计与装饰工程有着非常密切的联系，只有相互结合，才能真正做到安全，实用，经济，美观，满意的视觉条件。
下面将电气照明设计的一般原则与要求列表如下，见表2-1所示:
表2-1电气照明设计的一般原则与要求
序号
设计原则
设计要求
1
遵照规规定
应遵照有关设计规,包括国家标准的有关规定
2
符合照度要求
应符合视觉作业和视觉卫生对照度值的规定,并满足显色性的要求
3
力求视觉舒适
应注意灯具的合理布置,限制眩光,保证合理的均匀度,力求视觉舒适
4
安全可靠维修方便
照明装置应工作安全可靠,维护检修方便
5
技术先进经济合理
照明装置既要技术先进,又要尽可能经济合理地使用资金和节约能源
6
与建筑相协调
照明装置应与建筑及周围环境协调统一
2.1智能照明的基本概念
人类在长期的进化过程中，形成了特有的视觉特性。
因此，有必要先介绍一下人类的一般视觉特性。
2.1.1人类的视觉特性
⑴暗视觉、明视觉和中介视觉
视网膜是人眼感受光的部分，网膜上分布两种不同的细胞。
边缘部位杆状细胞占多数，中央部位锥状细胞占多数。
这两种细胞对光的感受性是不同的。
杆状体对光的感受性很高，而锥状体对光的感受性很低。
因此，在微弱的照度下（视觉亮度在
～
cd/
），只有杆状体工作，这种视觉状态成为暗视觉。
当亮度达到10cd/
时锥状体的工作起主要作用，这种视觉状态称为明视觉。
当视觉亮度在
～10cd/
时，杆状体和锥状体同时起作用，这种视觉状态称为中介视觉。
杆状体对光的感受性很高，但它却不能分辨颜色。
只有锥状体在感受光刺激时，才有颜色感。
因此，只有在照度较高显得明亮的条件下，才有良好的颜色感。
⑵视觉适应
在现在和过去呈现的各种亮度、光谱分布、视角的刺激下，视觉系统状态的变化过程称之为视觉适应（visualadaptation）。
它可分为明适应和暗适应。
视觉系统适应高于几个坎德拉每平方米亮度的变化过程及终极状态称为明适应。
视觉系统适应低于百分之几坎德拉每平方米亮度的变化过程及终极状态称为暗适应。
对眼睛来说适应过程是一个生理光学过程。
开始是瞳孔大小的变化，继之是视网膜上的光化学反应过程。
一般来说，暗适应所需要的过渡时间较长，而明适应是眼睛从暗到亮的适应过程，这一过程较短，约2-3分钟。
⑶后像
视觉不会瞬时产生，也不会瞬时消失，特别是在高亮度的闪光之后往往还可感到有一连串的影像，以不规则的强度和不断降低的频率正负交替出现，这种现象称为后像。
强烈的后像对视力工作特别有害，例如偶然看到极亮的发光体后，在一定时间，我们总被一个黑影（极亮发光体的负后像）所困扰。
⑷眩光
若视野有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，则可引起不舒适或造成视觉降低的现象称为眩光。
眩光按其评价的方法可分为失能眩光与不舒适眩光。
不舒适眩光使人产生不舒适感或烦恼等心理感觉。
不舒适眩光的产生主要与以下4个因素相关[6]眩光源的亮度Ls，眩光源的表现立体角
。
眩光源离开视线的仰角
和眩光源所处的背景亮度Lf。
不舒适眩光的程度只能通过主观评价来估计。
失能眩光会导致视疲劳增加，工作效率降低，眩光严重时会造成观察者短暂致盲，此时称为失明眩光。
⑸光源的色温与显色性
①色温
光源的发光颜色是与温度有关的,当温度不同时,光源发出光的颜色是不同的.如白炽灯,当灯丝温度低时,发出的光以红色为主;当灯丝温度高时,灯丝发白,发出的光由红变白。
②显色性
当某种光源照射到物体上时,该物体的色彩与照射时的色彩是不完全一样的,有一定的失真度.所谓光源的显色性,就是指不同光谱的光源分别照射在同一颜色的物体上时,所呈现出不同颜色的特性,通常用显色指数来表示光源的显色性.
2.1.2光照度及其单位
⑴光通量
按人眼对光的感觉量为基准来衡量光源在单位时间向周围空间辐射引起光感的能量大小，称为光通量。
光通量用符号
表示，单位为流量（lm）。
⑵照度
通常把物体表面得到的光通量与这个物体表面积的比值叫做照度，由E表示。
（2-1）式中
—光通量（lm）；
A—面积（㎡）；
E—照度（lx）。
下面举几种常见的照度情况:
①在40W的白炽灯下1m远处的照度约为30lx，加搪瓷伞形后增加为73lx。
②晴朗的白天室为100～500lx。
③照度为1lx，仅能辨别物体的轮廓，阅览室的照度要求不低于50lx。
2.2照明质量
良好的照明质量，对提高学习和工作效率及减少视觉疲劳和创造一个舒适的生活环境等都具有重要的作用。
此外，随着生活水平的提高，人们对照明质量的要求也越来越高。
影响照明质量的因素主要有下面两点：
⑴照度的均匀性
在视野，照度的不均匀很容易引起视力疲劳。
为了使照明场所的照度比较均匀，要求房间由最大、最小照度分别与平均照度之差不大于或
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